Ceramica stampata in 3D

Jan 14, 2024

Poiché le tecnologie di produzione additiva sono sempre più adottate per una vasta gamma di applicazioni in molti settori, gran parte dell’attenzione è rivolta alla stampa 3D di materiali metallici o polimerici. La stampa 3D ceramica, tuttavia, sta maturando e sta raggiungendo un punto di flessione poiché gli ingegneri si rivolgono sempre più alle proprietà prestazionali superiori dei materiali ceramici tecnici.

I tradizionali processi di stampaggio della ceramica richiedono attrezzature costose con tempi di consegna lunghi. Il processo è anche inefficiente in quanto lo sformatura diventa sempre più complicato a causa delle forme complesse dei componenti moderni. La libertà di progettazione della produzione additiva crea nuove forme ottimizzate in questi materiali tradizionalmente difficili da lavorare, ottimizzati in termini di peso o modellati per scopi prestazionali speciali come la deflessione o l’assorbimento di energia.

Poiché la stampa 3D consente ai progettisti di aumentare la complessità nella geometria delle parti, le nuove possibilità dei materiali stanno portando a vere e proprie scoperte applicative.

Utilizzata da secoli nell’edilizia, la ceramica si è evoluta in materiali produttivi all’avanguardia. La sabbia silicea, ad esempio, è una ceramica utilizzata nella fusione dei metalli. Le fonderie costruiscono regolarmente attrezzature dal materiale e negli ultimi decenni hanno adottato la stampa 3D con sabbia per produrre in serie progetti sempre più complessi con tempi di consegna più rapidi, il tutto senza allontanarsi dal flusso di lavoro di fusione per produrre parti metalliche di uso finale.

Oggi, una gamma di materiali ceramici tecnici con ossidi, carburi o nitruri legati ad essi viene utilizzata per applicazioni con requisiti ambientali e prestazionali superiori a quelli che possono essere soddisfatti da altri materiali. Le ceramiche tecniche come il carburo di silicio (SiC), l'allumina e la zirconio sono ambite per l'uso nelle applicazioni più estreme e negli ambienti più difficili per proprietà come biocompatibilità, elevata durezza, stabilità a temperature ultra elevate o resistenza alle reazioni chimiche.

Il getto di legante presenta vantaggi intrinseci nella modellazione di queste ceramiche in geometrie complesse e ad alta risoluzione impossibili da costruire con le tecnologie tradizionali. La velocità di stampa, le dimensioni di stampa e la flessibilità dei materiali consentono di elaborare la più ampia gamma di materiali alle velocità più elevate. Si tratta di una tecnologia altamente ricercata e ampiamente identificata come il miglior processo per la produzione di SiC, anche tra le altre tecnologie additive, perché la polvere scura non polimerizza con i raggi UV e l'elevato punto di fusione elimina i processi basati sul laser. La produzione di parti dalla forma quasi netta riduce inoltre le fasi di post-elaborazione di lavorazione e lucidatura difficili e costose. Le parti verdi porose possono essere sinterizzate, impregnate o infiltrate per ottenere proprietà del materiale versatili specifiche per l'applicazione.

Il nuovo paradigma di progettazione della produzione additiva, abbinato ai materiali ceramici tecnici più avanzati, pone il binder jetting all’avanguardia nello sviluppo di applicazioni.

I collimatori sono componenti utilizzati nell'imaging dei neutroni che consentono ai ricercatori di mappare le proprietà di un materiale assorbendo neutroni vaganti. Migliorano la risoluzione e riducono i segnali di fondo negli esperimenti per acquisire dati fino a un livello atomico.

Il carburo di boro (B4C) è una ceramica tecnica con proprietà resistenti ma leggere, nonché caratteristiche di assorbimento dell'energia che sono particolarmente utili negli strumenti di diffusione dei neutroni. Le limitazioni di produzione del passato producevano collimatori costituiti da lame rivestite con materiale altamente assorbente, come il carburo di boro arricchito (10B4C), in disposizioni che collimavano intrinsecamente in una sola dimensione. Le forme ristrette di questi design tradizionali limitavano il tipo di ricerca che si poteva svolgere con essi.

I ricercatori di JJ X-Ray, un produttore danese di soluzioni per esperimenti con raggi X, radiazione di sincrotrone e diffusione di neutroni, hanno utilizzato la libertà di progettazione della stampa 3D per sviluppare componenti più complessi per la collimazione 2D. Sistemi di getto legante desktop Metal X-Series cubi stampati in 3D da polvere 10B4C. I prototipi del collimatore da 20 mm3 presentano canali a pareti diritte 5×5 mm che non potrebbero essere prodotti con nessun'altra tecnologia.